2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU
2.2. Hệ thống thụng tin ủịa lý (GIS) [4]
2.2.1. Khái niệm
Hiện nay cú khỏ nhiều ủịnh nghĩa về GIS, song cú thể thống nhất chung về ủịnh nghĩa như sau: “GIS là một tổ chức tổng thể của 4 hợp phần: phần cứng (mỏy tớnh và cỏc thiết bị ngoại vi), phần mềm, dữ liệu ủịa lý và người ủiều hành ủược thiết kế hoạt ủộng một cỏch cú hiệu quả nhằm thu nhận, lưu trữ, ủiều khiển, phõn tớch và hiển thị toàn bộ cỏc dạng dữ liệu ủịa lý. GIS cú mục tiờu ủầu tiờn là xử lý hệ thống dữ liệu trong mụi trường khụng gian ủịa lý”.
Hỡnh 2.6. Một bản ủồ GIS sẽ là tổng hợp của rất nhiều lớp thụng tin khỏc nhau GIS bao gồm cỏc hợp phần cơ bản sau: dữ liệu, người ủiều hành, phần cứng, phần mềm.
2.2.2. Dữ liệu
Dữ liệu cú thể ủến từ nhiều nguồn như số liệu tớnh toỏn thống kờ, cỏc quan trắc thực ủịa, ảnh viễn thỏm, bản ủồ giấy. Với kỹ thuật hiện ủại ngày nay, viễn thỏm và GIS cú khả năng cung cấp thụng tin bao gồm cỏc thuộc tớnh ủịa lý, khuụn dạng dữ liệu, tỷ lệ bản ủồ và cỏc số liệu ủo ủạc. Việc tớch hợp cỏc tư
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……… 23
liệu ủịa lý từ nhiều nguồn khỏc nhau trong ủú cú tư liệu viễn thỏm là ủặc ủiểm cơ bản của một phần mềm GIS.
- Cú kiến thức cơ bản về ủịa lý, bản ủồ, mỏy tớnh và cụng nghệ thụng tin.
- Việc ủào tạo cơ bản về ủịa lý cung cấp khả năng khai thỏc cỏc ủặc ủiểm khụng gian và ủồng thời phỏt hiện ủược mối quan hệ khụng gian giữa các hợp phần.
Hỡnh 2.7. Cấu trỳc hệ thống thụng tin ủịa lý GIS
- Khoa học về máy tính và thông tin cung cấp các kiến thức cơ bản về phần cứng máy tính và vận hành thông thạo các chương trình liên kết phần cứng.
- Cú kinh nghiệm trong việc sử dụng cỏc phần mềm GIS. Việc ủào tạo sử dụng các phần mềm chủ yếu thường tập trung vào việc xử lý GIS, lập trình cơ bản, quản lý cơ sở dữ liệu và một số cụng việc khỏc cú liờn quan ủến tớch hợp thông tin.
- Có hiểu biết nhuần nhuyễn về dữ liệu. Hiểu về nguồn tư liệu, nội dung và ủộ chớnh xỏc của dữ liệu, tỷ lệ bản ủồ nguyờn thủy và cỏc số liệu ủo ủạc của tập dữ liệu, cấu trỳc của dữ liệu.
- Cú khả năng phõn tớch khụng gian. Yờu cầu ủược ủào tạo về phương phỏp xử lý thống kờ và xử lý ủịnh tớnh trong ủịa lý, việc ủào tạo cho người xử lý cú thể lựa chọn phương phỏp tốt nhất ủể phõn tớch và ỏp dụng nhằm ủưa ra kết quả tốt nhất.
NGƯỜI ðIỀU HÀNH
PHẦN CỨNG
PHẦN MỀM
CƠ SỞ DỮ LIỆU
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……… 24
Cỏc yờu cầu trờn là cần thiết ủối với người ủiều hành GIS, cỏc huấn luyện chi tiết sẽ tùy thuộc nội dung và mục tiêu cũng như khả năng của máy tớnh và phần mềm ủể lựa chọn những chương trỡnh ủào tạo thớch hợp.
2.2.3. Phần cứng
Phần cứng của một GIS bao gồm các hợp phần sau: bộ xử lý trung tâm, thiết bị nhập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, thiết bị hiển thị và xuất dữ liệu.
- Bộ xử lý trung tõm: hệ thống ủiều khiển, bộ nhớ, tốc ủộ xử lý là những yếu tố quan trọng nhất của CPU.
- Các thiết bị ngoại vi phục vụ cho việc nhập dữ liệu: bàn số hóa, máy quột ủể chuyển ủổi dữ liệu tương tự thành dạng số. Cỏc phương tiện lưu trữ thụng dụng là ổ ủĩa cứng, ổ ủọc băng, ổ ủĩa quang cú thể ghi hỡnh và xúa dữ liệu.
Thiết bị hiển thị và xuất dữ liệu bao gồm màn hình, máy in. Hiện nay, với sự phỏt triển của cụng nghệ tin học và cụng nghệ thụng tin, ủặc biệt là khi cú thiết bị mạng cho phộp san sẻ cỏc chức năng và trao ủổi giữa những người sử dụng, càng tạo ủiều kiện cho GIS phỏt triển.
2.2.4. Phần mềm
Một hệ thống phần mềm xử lý GIS yờu cầu phải cú ủầy ủủ hai hợp phần, ủú là tự ủộng húa thành lập bản ủồ và quản lý cơ sở dữ liệu. Sự phỏt triển kỹ thuật GIS hiện ủại liờn quan ủến sự phỏt triển của hai hợp phần này.
Bản ủồ học là mụn khoa học về ủịa lý, về tớnh chất, phương phỏp xõy dựng và sử dụng chỳng, bản ủồ học bao gồm nhiều bộ mụn khoa học và kỹ thuật quan hệ chặt chẽ với nhau. Do ủú, tự ủộng húa thiết lập bản ủồ là thành lập bản ủồ với sự trợ giỳp của mỏy tớnh. Bản ủồ là sự thể hiện bằng ủồ họa mối quan hệ không gian và là sự mô hình hóa thực tế theo những tỷ lệ nhất ủịnh thụng qua cỏc cụng ủoạn: lựa chọn, phõn loại, làm ủơn giản húa và tạo mẫu ký tự.
Các phần mềm tiện ích thông qua máy tính trợ giúp cho việc thành lập
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……… 25
bản ủồ trờn nhiều phương diện như sau:
- Thứ nhất, bản ủồ trong mỏy tớnh là dạng số nờn dễ dàng chỉnh sửa làm cho bản ủồ ủược hoàn thiện và lượng thụng tin sẽ ủược nõng lờn. ðặc biệt, việc bổ sung thụng tin cho bản ủồ cũng dễ dàng thực hiện ủược.
- Thứ hai, quỏ trỡnh tạo chỳ giải và cỏc chỉ dẫn trờn bản ủồ ủược thao tỏc với tốc ủộ nhanh nờn giỏ thành thấp. Việc lựa chọn, phõn loại và làm ủơn giản húa cỏc ủặc ủiểm bản ủồ cũng ủược thực hiện một cỏch khoa học. Cỏc chức năng cụ thể của phần mềm trợ giúp cho phép quá trình thiết kế và khái quỏt húa bản ủồ ủược thực hiện. Kết quả như mong muốn cú thể ủạt ủược bởi nhiều cỏn bộ bản ủồ hoặc do chớnh một cỏn bộ bản ủồ làm trong nhiều thời gian khác nhau.
- Thứ ba, thiết kế bản ủồ cú thể ủược hoàn thiện hơn qua việc thử và chỉnh sửa lỗi. Kích thước, hình dạng hoặc vị trí của chữ hoặc ký hiệu trên bản ủồ cú thể dễ dàng thay ủổi ủược và ủưa về vị trớ chớnh xỏc như mong muốn.
Chức năng thứ hai của phần mềm GIS là hệ thống quản lý dữ liệu (DBMS). GIS phải cú khả năng ủiều khiển cỏc dạng khỏc nhau của dữ liệu ủịa lý ủồng thời cú thể quản lý hiệu quả một khối lượng lớn dữ liệu theo một trật tự rõ ràng.
Một yếu tố rất quan trọng của phần mềm GIS là cho khả năng liên kết hệ thống giữa việc tự ủộng húa bản ủồ và quản lý cơ sở dữ liệu. Cỏc tài liệu mô tả cho một vị trí bất kỳ, có thể liên hệ một cách hệ thống với vị trí không gian của chỳng. Sự liờn kết ủú là một ưu thế của việc vận hành GIS:
+ Một là: cỏc dữ liệu thuộc tớnh nhất thiết phải ủược thể hiện liờn kết với cỏc ủối tượng trờn bản ủồ. Vớ dụ, số liệu về dõn số của một thành phố cũng ủược gọi ra một cỏch tự ủộng mà khụng cần phải cú một sự tra cứu nào khỏc.
ðối với bản ủồ truyền thống thỡ cụng việc tra cứu thường phải làm ủộc lập, khụng thực hiện tự ủộng ủược. Ngoài ra, việc bổ sung số liệu cũng ủũi phải ủược
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……… 26
cập nhật thường xuyờn nờn chỉ GIS mới cú thể ủỏp ứng ủược ủầy ủủ.
+ Hai là: sự thay ủổi về hỡnh học của cỏc ủối tượng nội dung trờn bản ủồ nhất thiết phải phự hợp với sự thay ủổi về thụng tin thuộc tớnh. Vớ dụ, sự thay ủổi về diện tớch ủụ thị về số liệu phải tương ứng với sự thay ủổi về ủường ranh giới thành phố. Khi thay ủổi ranh giới thỡ số liệu tớnh toỏn về diện tớch cũng tự ủộng ủược thay ủổi.
2.2.5. Các chức năng cơ bản của phần mềm GIS
Một phần mềm GIS có các chức năng cơ bản như sau: nhập và bổ sung dữ liệu, chuyển ủổi dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, ủiều khiển dữ liệu, hiển thị dữ liệu theo cơ sở ủịa lý và ủưa ra quyết ủịnh. Cú thể khỏi quỏt về cỏc chức năng ủú như sau:
a. Nhập và bổ sung dữ liệu
Một trong những chức năng quan trọng của GIS là nhập, bổ sung và cập nhật dữ liệu mà cụng việc ủú khụng thể tiến hành riờng rẽ. Bất kỳ một hệ thống nào cũng phải cho phép nhập, bổ sung và cập nhật dữ liệu.
Việc nhập, bổ sung và cập nhật dữ liệu phải cho phép sử dụng nguồn tư liệu dưới dạng số hoặc dạng tương tự. Dạng tư liệu khụng gian như bản ủồ giấy hoặc ảnh vệ tinh, ảnh mỏy bay phải ủược chuyển thành dạng số và cỏc nguồn tư liệu khỏc cũng phải chuyển ủổi ủược ủể tương thớch với cơ sở dữ liệu trong hệ thống ủang sử dụng.
b. Chuyển ủổi dữ liệu
Chuyển ủổi dữ liệu là chức năng cần ủược làm ngay sau khi thực hiện việc thu thập, bổ sung và cập nhật dữ liệu. Nhiều phần mềm thương mại cố gắng giữ ủộc quyền bằng cỏch hạn chế ủưa cỏc khuụn dạng dữ liệu theo hai loại phổ cập. Tuy nhiờn người sử dụng phải lựa chọn ủể hạn chế việc phải số húa thờm những tài liệu ủang cú ở dạng số. Trong thực tế, cựng một tư liệu nhưng có thể tồn tại ở nhiều khuôn dạng khác nhau.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……… 27
c. Lưu trữ dữ liệu
Một chức năng quan trọng của GIS là lưu giữ và tổ chức cơ sở dữ liệu do sự ủa dạng và với một khối lượng lớn của dữ liệu khụng gian: ủa dạng về thuộc tớnh, về khuụn dạng, về ủơn vị ủo, về tỷ lệ bản ủồ. Hai yờu cầu cơ bản trong việc lưu trữ dữ liệu là phải tổ chức nguồn dữ liệu sao cho ủảm bảo ủộ chính xác và không mất thông tin; và các tài liệu cho cùng một khu vực song cỏc dữ liệu lại khỏc nhau về tỷ lệ, về ủơn vị ủo… thỡ phải ủược ủịnh vị chớnh xác. ðối với tư liệu quốc gia không thể chỉ lưu giữ ở một dạng thuộc tính riêng biệt mà cần phải lưu giữ ở nhiều khuụn dạng cú tớnh chất phổ biến ủể sử dụng ủược trong nhiều ứng dụng khỏc nhau. Như vậy, một phần mềm GIS cần phải cú chức năng nhập và chuyển ủổi nhiều khuụn dạng dữ liệu khỏc nhau.
d. ðiều khiển dữ liệu
Do nhiều GIS hoạt ủộng ủũi hỏi tư liệu khụng gian phải ủược lựa chọn với một chỉ tiờu nhất ủịnh ủược phõn loại theo một phương thức riờng, tổng hợp thành những ủặc ủiểm riờng của hệ thống, do ủú GIS phải ủảm nhiệm ủược chức năng ủiều khiển thụng tin khụng gian. Khả năng ủiều khiển cho phộp phõn tớch, phõn loại và tạo lập cỏc ủặc ủiểm bản ủồ thụng qua cỏc dữ liệu thuộc tớnh và thuộc tớnh ủịa lý ủược nhập vào hệ thống. Cỏc thuộc tớnh khỏc nhau cú thể ủược tổng hợp, nắm bắt một cỏch riờng biệt và những sự khỏc biệt cú thể ủược xỏc ủịnh, ủược tớnh toỏn, ủược can thiệp và biến ủổi.
e. Trình bày và hiển thị
ðây cũng là một chức năng bắt buộc phải có của một GIS. Không gian dưới dạng tài liệu nguyờn thủy hay tài liệu ủược xử lý cần ủược thể hiện dưới cỏc khuụn dạng như: chữ và số, dạng bảng biểu hoặc dạng bản ủồ. Cỏc tớnh toỏn chung và kết quả phõn tớch ủược lưu trữ ở dạng chữ và số ủể dễ dàng in ra hoặc trao ủổi giữa cỏc phần mềm khỏc nhau. Cỏc dữ liệu thuộc tớnh cú thể ủược lưu ở dạng bảng biểu hoặc cỏc dạng cố ủịnh khỏc. Bản ủồ ủược thiết kế
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……… 28
ủể hiển thị trờn màn hỡnh hoặc lưu dưới dạng ủiểm ủể in. Như vậy, hiển thị và in ra cũng là những chức năng rất cần thiết của một GIS.
g. Phân tích không gian
Trước ủõy, chỉ cú 5 chức năng mụ tả ở trờn là ủược tập trung, phỏt triển do những người xõy dựng GIS. Chức năng thứ 6 là phõn tớch khụng gian ủược phát triển dựa vào sự tiến bộ của công nghệ và nó trở nên thật sự hữu ích cho người ứng dụng. Những ủịnh nghĩa về GIS trước ủõy trở thành thực tiễn trờn cơ sở ứng dụng trực tiếp chức năng phõn tớch khụng gian. Theo quan ủiểm hiện nay thỡ chức năng ủú cần thiết phải cú ủối với một hệ thống ủược gọi là GIS. Tất nhiờn cỏc chức năng cú thể khỏc nhau ủối với từng hệ thống, song ủối với một GIS sử dụng tư liệu bản ủồ thỡ chức năng ủú là bắt buộc.
Phân tích không gian của GIS bao gồm 3 bộ phận chính: giải quyết các câu hỏi về thuộc tính, các câu hỏi về phân tích không gian và tạo nên các tập dữ liệu mới từ cỏc cơ sở dữ liệu ban ủầu. Mục tiờu của phõn tớch khụng gian là từ việc giải quyết cỏc cõu hỏi ủơn giản về cỏc hiện tượng, cỏc vấn ủề trong khụng gian ủi ủến hợp thành cỏc thuộc tớnh một hay nhiều lớp và phõn tớch ủược sự liờn quan giữa cỏc dữ liệu ban ủầu.
Trong ứng dụng của GIS, cỏc ủặc ủiểm và thuộc tớnh về khụng gian là rất phổ biến. Cõu hỏi về thuộc tớnh cú chứa ủựng cả tớnh chất thụng tin về khụng gian. Vớ dụ trong cơ sở dữ liệu của một thành phố, ở ủú mỗi mảnh bản ủồ ủều cú mó thuộc tớnh về sử dụng ủất, một bảng thuộc tớnh ủơn giản cú thể yờu cầu liệt kờ toàn bộ cỏc mảng của cỏc loại hỡnh sử dụng ủất cú trong bản ủồ.
Vỡ khụng cú thụng tin khụng gian ủể trả lời cho cõu hỏi này nờn bảng ủú ủược xem như bảng thuộc tính. Trong ví dụ này, toàn bộ bảng thuộc tính có chứa các mó của sử dụng ủất ủó ủược xỏc ủịnh. Cỏc thụng tin khỏc cú thể ủược tạo nờn vớ dụ như số mảnh ủơn vị của loại hỡnh sử dụng ủất này, hoặc tổng diện tớch của loại hỡnh sử dụng ủất này trong thành phố,… Tất nhiờn những bài toỏn xử
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……… 29
lý thông tin cho một lớp là rất cần thiết, song trong ứng dụng việc xử lý thông tin của nhiều lớp cũng là cụng việc rất quan trọng và ủũi hỏi nhiều cụng sức trong lập trình. Ví dụ, giải bài toán về hai lớp thông tin về tính toán diện tích của cỏc loại hỡnh sử dụng ủất theo cỏc cấp ủộ dốc khỏc nhau,… Những bài toỏn ủú ủặt ra ủối với nhiều nội dung ứng dụng khỏc nhau mà phần mềm chuyờn tự ủộng húa bản ủồ hay quản lý dữ liệu khụng ủỏp ứng ủược. Tất nhiờn do mục ủớch của GIS mà tập trung vào xử lý khụng gian nờn một số chức năng của tự ủộng húa bản ủồ hoặc tớnh toỏn thống kờ chuyờn ủề thỡ cú thể GIS khụng ủỏp ứng ủược.
Một số vấn ủề cơ bản trong xử lý khụng gian ủược cụ thể húa như sau:
+ Xử lý thụng tin trong một lớp: giải quyết cỏc vấn ủề thuộc tớnh cỏc ủối tượng trong một lớp, ủo ủạc cỏc giỏ trị, phõn tớch sự liờn quan giữa cỏc ủối tượng trong một lớp bản ủồ. Vớ dụ xỏc ủịnh tờn, tớnh diện tớch chu vi của từng khoanh vi bản ủồ, xỏc ủịnh khoảng cỏch, tạo cỏc vựng ảnh hưởng.
+ Xử lý thông tin nhiều lớp: chồng xếp hai hoặc nhiều lớp thông tin cho phộp tạo ra nhiều lớp bản ủồ mới trờn cơ sở làm chi tiết húa thụng tin của từng phần trong một ủối tượng bản ủồ. Vớ dụ, hai lớp thực vật và ủất khi chồng xếp sẽ cho bản ủồ phõn bố thực vật trờn cỏc loại ủất khỏc nhau.
+ Xử lý không gian: có thể có rất nhiều lớp thông tin mà xử lý không gian cần phải tớnh toỏn ủược mối quan hệ giữa chỳng.
+ Phõn tớch cỏc mẫu ủiểm: một số ủối tượng tự nhiờn hoặc hiện tượng tự nhiờn cú sự phõn bố bằng cỏc ủiểm tập trung theo cỏc quy luật nhất ủịnh.
Vớ dụ, phõn bố của ủồng cỏ, hệ thống cỏc ủiểm sụt Karst… trong xử lý khụng gian, sự phõn bố những ủiểm ủú cần ủược nhận diện và phõn loại.
+ Phân tích mạng: thiết lập một mạng hữu ích giữa các diện tích có sự phân bố khác nhau là một trong những chức năng xử lý không gian: Ví dụ tạo tuyến xe buýt gần nhất nối cỏc ủiểm ủún khỏch trong thành phố, mở hệ thống